低壓變頻調(diào)速電機(jī)的特點(diǎn)和變頻調(diào)速節(jié)能控制應(yīng)用

文/胡誠 徐州市市政設(shè)計院有限公司江寧分公司 江蘇南京 210000

近年來，技術(shù)的進(jìn)步帶動了很多領(lǐng)域的發(fā)展，在工業(yè)、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域，變頻調(diào)速技術(shù)得到了普遍的應(yīng)用，該種調(diào)速方式具有較好的節(jié)能效益，在一定程度上突破了傳統(tǒng)調(diào)速方式的局限性，因此，變頻器調(diào)速已成為當(dāng)前電機(jī)調(diào)速的重要趨勢。調(diào)速方式的轉(zhuǎn)變在一定程度上減少了調(diào)速的能源消耗，變頻器的變頻調(diào)速控制具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢，有利于促進(jìn)行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

1、變頻專用電機(jī)設(shè)計特點(diǎn)和節(jié)能優(yōu)勢

以三相異步電動機(jī)為例，如果應(yīng)用變頻調(diào)速技術(shù)，為保障其良好的調(diào)速控制，在設(shè)計的過程中，主要需要考慮以下因素：（1）電機(jī)機(jī)械特性與電源頻率有著緊密的關(guān)系，隨著電源頻率逐步減小，電機(jī)的機(jī)械特性在此情況下呈現(xiàn)逐步左移的變化趨勢。因此，在電機(jī)的運(yùn)行與控制過程中，可以應(yīng)用調(diào)頻來實(shí)現(xiàn)對最大轉(zhuǎn)矩的利用，作為啟動轉(zhuǎn)矩，使得轉(zhuǎn)子槽型能夠在保持整體穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)優(yōu)化，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對設(shè)備匹配選型成本的有效控制。（2）利用變頻器的變頻變壓，能夠?qū)惒诫姍C(jī)調(diào)節(jié)至最佳的運(yùn)行狀態(tài)下，進(jìn)而獲得最小滑差、最大效率等參數(shù)。根據(jù)這種運(yùn)行處理效果，可以使得在出力保持恒定的情況下，將額定功率與額定功率因素以最大效率與高功率因素來替代，實(shí)現(xiàn)對電機(jī)重量與成本的控制。（3）變頻器的調(diào)頻調(diào)壓功能，有效實(shí)現(xiàn)了對異步電機(jī)矢量的控制，使得當(dāng)電機(jī)處于一定的氣隙磁場條件時，可以獲得最小勵磁電流，進(jìn)而逐步提高電機(jī)的效率與功率因數(shù)，這種控制方式具有明顯的節(jié)能效益。

2、變頻專用三相異步電動機(jī)的機(jī)械特性和不同負(fù)載的控制

變頻專用三相異步電動機(jī)具有調(diào)頻調(diào)壓的便捷性，因此，使得電機(jī)的機(jī)械特性可以在該種條件下保持良好的平移狀態(tài)。隨著電機(jī)機(jī)械特性曲線隨著電源頻率的降低而在坐標(biāo)系中呈現(xiàn)出左移的變化趨勢，因此，變頻調(diào)節(jié)控制下，可直接通過對最大轉(zhuǎn)矩的利用，將其作為啟動轉(zhuǎn)矩，不僅提高了運(yùn)行的穩(wěn)定性，還實(shí)現(xiàn)了對轉(zhuǎn)子槽的優(yōu)化與改進(jìn)。綜合來看，變頻器的變頻變壓控制，在一定程度上提升了電機(jī)的運(yùn)行效率。

由于變頻電機(jī)的應(yīng)用過程中，存在使用情況的差異性，綜合來看，變頻電機(jī)所帶負(fù)載一般包含了恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載（刮板機(jī)，輸送機(jī)、卷揚(yáng)機(jī)等）、恒功率負(fù)載（車床，鉆床，磨床，打卷機(jī)等）和平方轉(zhuǎn)矩負(fù)載（風(fēng)機(jī)水泵類）等類型。恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載情況下，速度變化對于轉(zhuǎn)矩本身的影響相對較小，在此種狀態(tài)下，變頻器最佳的工作狀態(tài)處于基頻以下運(yùn)行狀態(tài)下，此時，一般要通過恒磁通調(diào)壓調(diào)速控制，來保障變頻器的輸出特性、運(yùn)行等能夠符合負(fù)載的實(shí)際需求。恒功率負(fù)載的情況下，速度變化對于轉(zhuǎn)矩有著明顯的影響，二者呈現(xiàn)出反方向變化的關(guān)系，當(dāng)轉(zhuǎn)速越大時，其轉(zhuǎn)矩越小，此時的電機(jī)工作頻率一般處于基頻以上的運(yùn)行狀態(tài)下，此時，一般通過恒壓調(diào)速的方式，來使得其機(jī)械特性可以與變頻器的輸出特性保持一致。平方轉(zhuǎn)矩負(fù)載下，轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的平方成正方向變化的關(guān)系，此時，電機(jī)運(yùn)行一般處于基頻以下，要避免其工作頻率超過工頻的現(xiàn)象，否則會引發(fā)變頻器與電機(jī)的過載情況。

3、應(yīng)用實(shí)例

以某軋鋼廠加熱爐風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的變頻調(diào)速改造工程為例，風(fēng)機(jī)及其電動機(jī)的參數(shù)如下：（1）風(fēng)機(jī)參數(shù)。風(fēng)機(jī)型號：9-1916D；風(fēng)量：26378-63307m3/h；全壓：1820Pa；轉(zhuǎn)速：730r/min。（2）電動機(jī)參數(shù)。電機(jī)型號：JS147-4；額定功率：360kW；額定電壓：6kV；額定電流：42A；功率因數(shù)：0.88；電動機(jī)效率：95%。

3.1 風(fēng)機(jī)改造前狀況

在該系統(tǒng)內(nèi)所采用的風(fēng)機(jī)為離心式風(fēng)機(jī)類型，全壓啟動，在風(fēng)量的調(diào)節(jié)過程中，主要是通過出口閥門開口的大小來實(shí)現(xiàn)的。在該系統(tǒng)內(nèi)，包含了兩臺風(fēng)機(jī)，一臺是系統(tǒng)運(yùn)行中所使用的，而另一臺為備用。風(fēng)機(jī)的運(yùn)行過程中，由異步電動機(jī)直接拖動，在起動過程中，為全壓起動的狀態(tài)，在起動過程中，所產(chǎn)生的電流相對較大，該電流會影響車間電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行，再加上其轉(zhuǎn)速相對較高，在一定程度上對軸承產(chǎn)生了一定的沖擊，因此，在這種運(yùn)行狀態(tài)下，風(fēng)機(jī)系統(tǒng)極易出現(xiàn)各種故障，比如，電機(jī)燒損極為常見，使得在電機(jī)的維修等方面的成本消耗相對較高。由于該系統(tǒng)的特殊性，應(yīng)用鋼種與燃?xì)獾?，也無法達(dá)到理想的調(diào)節(jié)效果，存在能源的浪費(fèi)，不利于企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益的實(shí)現(xiàn)，將其改造為變頻節(jié)能調(diào)速，能夠?qū)崿F(xiàn)成本的控制，達(dá)到節(jié)能降耗的目的。

3.2 變頻調(diào)速改造動力線路圖

變頻調(diào)速改造線路如圖1所示，在具體的改造過程中，其線路結(jié)構(gòu)相對簡單，具有實(shí)施的可行性與便捷性。

3.3 節(jié)能效果的估算

從流體力學(xué)的角度來看，風(fēng)機(jī)風(fēng)量與轉(zhuǎn)速、電機(jī)功率等存在著緊密的關(guān)系：（1）風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速改變的情況下，流量與轉(zhuǎn)速呈現(xiàn)出正向變化的關(guān)系；（2）風(fēng)機(jī)壓頭與轉(zhuǎn)速的平方也呈現(xiàn)正向變化的關(guān)系；（3）風(fēng)機(jī)電機(jī)軸功率與轉(zhuǎn)速立方呈現(xiàn)出同方向變化的關(guān)系。因此，基于這些關(guān)系，在風(fēng)機(jī)的運(yùn)行過程中，當(dāng)風(fēng)機(jī)風(fēng)量減小的情況下，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速逐步降低，電動機(jī)輸出功率也逐步減小。

如果在該風(fēng)機(jī)系統(tǒng)內(nèi)采用風(fēng)門調(diào)節(jié)的方式，電動機(jī)輸出功率與功率因數(shù)為正比，功率因數(shù)隨著輸出功率的減小而降低，有關(guān)經(jīng)驗表明，其功率因數(shù)為0.85，如果按照余量10%、電動機(jī)額定功率360kW，引風(fēng)機(jī)的額定軸功率為324kW。而工作電流為27A，設(shè)備運(yùn)行時間T=8760h，在這種情況下，電動機(jī)消耗功率P=UI工cosφ=238.221(kW)，年消耗電量為E變閥門=P×T=2086815.96(kWh)。

如果在該風(fēng)機(jī)系統(tǒng)內(nèi)采用變頻調(diào)節(jié)的方式，其風(fēng)機(jī)閥門開度57.81%，風(fēng)量Q=70%，電機(jī)消耗功率P變頻=PQ3=123.48(kW)，年耗電量E變頻=P變頻×T=1081684.8(kWh)，大大節(jié)約了電能消耗。

圖1 變頻調(diào)速系統(tǒng)動力線路圖

3.4 風(fēng)機(jī)改造后運(yùn)行狀況

在改造以后，系統(tǒng)的運(yùn)行狀況良好，故障率大大降低。

結(jié)語：

近年來，隨著技術(shù)的進(jìn)步，變頻調(diào)速控制得到了普遍的應(yīng)用，該種控制方式具有明顯的經(jīng)濟(jì)效益、社會效益與節(jié)能效益，不僅保障了系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性與可靠性，還能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)運(yùn)行與維護(hù)成本的控制，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。